DE9006490U1 - Arrangement for determining the actual optical path length of light in a light guide - Google Patents
Arrangement for determining the actual optical path length of light in a light guideInfo
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Description
Anordnung zur Ermittlung der tatsächlichen optischen
Weglänge von Licht in einem LichtleiterArrangement for determining the actual optical
Path length of light in a light guide
Die Neuerung betrifft eine Anordnung zur kontinuierlichen Ermittlung der tatsächlichen optischen Weglänge von Licht in einem Lichtleiter vorbestimmter Länge.The innovation concerns an arrangement for continuously determining the actual optical path length of light in a light guide of predetermined length.
In vielen Bereichen der technisch-industriellen Fertigung werden kräftemäßig hochbelastete Strukturen in zunehmendem MaP° anstatt aus bisher verwendetem Metall oder Metallegierungen aus Verbundwerkstoffen eingestellt, die als Vorteil gegenüber der bisherigen Werk-Stoffwahl eine erhebliche Gewichtsverminderung bei wenigstens gleicher, wenn nicht gar größerer Festigkeit aufweisen. Verbundwerkstoffe dieser Art werden beispielsweise 1n der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, beispielsweise bei Tragflächen-, sowie Höhen- undIn many areas of technical and industrial production, structures subject to high loads are increasingly being made of composite materials instead of the metal or metal alloys used previously, which have the advantage of being significantly lighter compared to the previous choice of material, while at least maintaining the same, if not greater, strength. Composite materials of this type are used, for example, in the aerospace industry, for example in wings, as well as in altitude and
Seitenleitwerken von Flugzeugen. Bei extremer Belastung dieser Verbundwerkstoffe in den voran beschriebenen Anwendungsgebieten kann es durch systembedingte Überlast aber auch durch äußere Einflüsse, beispielsweise durch Jas Auftreffen von Gegenständen wie Steinen und dgl. auf die aus Verbundwerkstoff abgestellte Struktur dazu kommen, daß der Verbundwerkstoff bis zum Bruch beschädigt wird, ohne daß die Bruchstellen von außen sichtbar sind und ohne daß herkömmliche radiografische Methoden bei diesen Verbundwerkstoffen den Bruch erkenne.Vertical stabilizers of aircraft. When these composite materials are subjected to extreme loads in the areas of application described above, system-related overloading or external influences, for example objects such as stones and the like hitting the composite material structure, can lead to the composite material being damaged to the point of breaking, without the break points being visible from the outside and without conventional radiographic methods being able to detect the break in these composite materials.
Es sind zur Erkennung dieses Mangels in derartigen aus Verbundwerkstoff bestehenden Strukturen Lichtleiterfasern integriert worden, wobei mittels aufwendiger digital-elektronischer Methoden die Laufzeit von digitalen optischen Signalen im Lichtleiter ermittelt und aus der Laufzeit die effektive Länge des Lichtleiters, die sich bei einem Lichtleiterbruch entsprechend einer Beschädigung des Verbundwerkstoffs verkürzt, berechnet wurde. Diese bekannte Methode erwies sich jedoch aber selbst bei Laboruntersuchungen als apparativ zu aufwendig, ungenau im Ergebnis und nicht übertragbar auf den unmittelbaren Einsatz im Flugzeug, beispielsweise zur kontinuierlichen Überwachung des Verbundwerkstoffes schlechthi &eegr;.In order to detect this defect, optical fibers have been integrated into such composite material structures, whereby the transit time of digital optical signals in the optical fiber was determined using complex digital-electronic methods and the effective length of the optical fiber, which is shortened in the event of a fiber optic breakage corresponding to damage to the composite material, was calculated from the transit time. However, even in laboratory tests, this known method proved to be too complex in terms of equipment, inaccurate in its results and not transferable to direct use in aircraft, for example for the continuous monitoring of the composite material itself.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Neuerung, eine Anordnung zu schaffen, mit der auf hochgenauc, kontinuierliche Weise der tatsächliche optische Weg von Licht in einem Lichtleiter vorbestimmter Länge ermittelt werden kann, wobei die Anordnung einfach realisierbar sein soll, so daß sie sich unmittelbar zum Einsatz am Ort des Verbundwerkstoffes eignet.The aim of the present invention is to create an arrangement with which the actual optical path of light in a light guide of predetermined length can be determined in a highly accurate, continuous manner, whereby the arrangement should be easy to implement so that it is immediately suitable for use at the location of the composite material.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Neuerung dadurch, daß eiri Oszillator mit der Lichtquelle verbunden ist, der auf diese ein sinusförmiges Modulationssignal U liefert, daß amplitudenmoduliertes Licht nach seiner Reflexion am Lichtleiterende über die als Strahlteiler ausgebildete optische Einrichtung auf eine Photodiode und von dort als Photodiodensignal U. auf eine Mischeinrichtung zusammen mit dem Modul ati onss ign-j 1 U geleitet wird, wobei das am Ausgang liegende Ausgangssignal U (Phi) der Mischeinrichtung proportional zur optischen Wegiänge i«t Lichtleiter ist.The problem is solved according to the innovation in that an oscillator is connected to the light source, which supplies a sinusoidal modulation signal U to it, that amplitude-modulated light, after its reflection at the end of the light guide, is passed via the optical device designed as a beam splitter to a photodiode and from there as a photodiode signal U to a mixer together with the modulation signal U, whereby the output signal U (Phi) of the mixer at the output is proportional to the optical path length in the light guide.
Der Vorteil der neuerungsgemäßen Anordnung zeigt sich in einem verhältnismäßig einfacher und damit kostengünstig realisierbaren Aufbau, wobei für die einzelnen Teile wie Oszillator, Lichtquelle, Lichtleiter, Mischer und dgl. elektro-optische Standardbauteile verwendet werden können, die kostengünstig bereitstel1 bar sind. Da alle diese Teile auch verhältnismäßig leicht sind, ist es ohne weiteres möglich, eine Vielzahl derartiger Anordnungen jeweils zur Überwachung eines LichtleitersThe advantage of the new arrangement is that it is relatively simple and therefore inexpensive to implement, whereby electro-optical standard components can be used for the individual parts such as the oscillator, light source, light guide, mixer and the like, which can be provided inexpensively. Since all of these parts are also relatively light, it is easily possible to use a large number of such arrangements, each for monitoring a light guide.
•ir» s4 &agr; m tu i'iKAii*ut3rKan/1nn Uov^KiinWuai^UrtAff K &tgr; *-j /Jam ^awaiir•ir» s4 &agr; m tu i'iKAii*ut3rKan/1nn Uov^KiinWuai^UrtAff K &tgr; *-j /Jam ^awaiir
hergestellten Struktur unterzubringen. Es ist darüber hinaus auch möglich, alle vorgenannten Einzelteile oder Teile davon monolitisch nach Art eines dafür konzipierten integrierten Bausteins herzustellen. Gerade wegen der in vielen Anwendungsbereichen extremen Temperaturstabilitätsforderung mit voller Funktion in einem Temperaturbereich von - 50* bis + iOO* C eignet sich die Herstellung der Anordnung in Form eines monolitischen Bausteins h^^onders.manufactured structure. It is also possible to manufacture all of the above-mentioned individual parts or parts thereof monolithically in the manner of an integrated module designed for this purpose. Precisely because of the extreme temperature stability requirement in many areas of application with full functionality in a temperature range of - 50* to + 100* C, the manufacture of the arrangement in the form of a monolithic module is particularly suitable.
Um sicherzustellen, daß das Ausgangssignal bzw. Meßsignal in einem Phasenbereich von ± &pgr;/4 um die O-Phase herum näherungsweise proportional zur PhasendifferenzTo ensure that the output signal or measurement signal in a phase range of ± π/4 around the O-phase is approximately proportional to the phase difference
Phi und damit proportional zur optischen Weglänge der Lichtleiterfaser ist, wird das Modulationssignal U vor Eintritt in die Mischeinrichtung über eine Phasenschiebereinrichtung geleitet und geeignet eingestellt. Ein Anteil des amplitudenmodullerten Lichts wird vorteilhafterweise üb«?r den Strahlteiler ausgekoppelt und über eine zweite Photodiode geführt, wobei dieses als Referenzsignal U'j der Mischeinrichtung zugeführt wird.Phi and thus proportional to the optical path length of the optical fiber, the modulation signal U is passed through a phase shifter before entering the mixing device and is suitably adjusted. A portion of the amplitude-modulated light is advantageously coupled out via the beam splitter and passed through a second photodiode, whereby this is fed to the mixing device as a reference signal U'j.
Um zu einer einfacher auswertbaren Beziehung des die Mi sehe i nri ■■ htung verlassenden Ausgangs bzw. Meßsignals U (Phi) zu kommen, wird das Ausgangssignal der Mischeinrichtung über ein Tiefpaßfilter geführt und anschließend vorteilhafterweise durch das von der Photodiode kommende Photodiodensignal U. in einer analogen Divisionseinrichtung dividiert, d. h. der zeitabhängige Teil des die Mischeinrichtung verlassenden Ausgangs bzw. Meßsignals kann durch die Verwendung des Tiefpaßfilters unterdrückt werden, während die Abhängigkeit des verbleibenden Signals von der mittleren Intensität des Lichtes durch anschließende analoge Division durch das Photodiodensi-In order to arrive at a relationship of the output or measurement signal U (Phi) leaving the mixing device that is easier to evaluate, the output signal of the mixing device is passed through a low-pass filter and then advantageously divided by the photodiode signal U coming from the photodiode in an analog division device, i.e. the time-dependent part of the output or measurement signal leaving the mixing device can be suppressed by using the low-pass filter, while the dependence of the remaining signal on the average intensity of the light is determined by subsequent analog division by the photodiode signal U.
U. unterdrückt werden kannU. can be suppressed
Grundsätzlich kann eine beliebige geeignete Mischeinrichtung vorgesehen werden, es hat sich jedoch als vorteilhaft herausgestellt, die Mischeinrichtung durch einen Ringmischer zu bilden.In principle, any suitable mixing device can be provided, but it has proven advantageous to form the mixing device by a ring mixer.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Anordnung wird das Ausgangssignal U (PhI) und das Modulationssignal Um vorbestimmter Frequenz auf eine Rechnereinrichtung gegeben, wobei der Oszillator als spannungsgesteuerter Oszillator ausgebildet ist und die j Modulationsfrequenz, ausgehend von einem vorbestimmten j Minimalwert, von Meßschritt zu Meßschritt erhöht wird.In another advantageous embodiment of the arrangement, the output signal U (PhI) and the modulation signal U m of predetermined frequency are fed to a computer device, wherein the oscillator is designed as a voltage-controlled oscillator and the j modulation frequency, starting from a predetermined j minimum value, is increased from measuring step to measuring step.
Bei rechnergesteuerter Verstimmung der Modulationsfrequenz zu höheren Frequenzen hin ergibt sich eine hohe Auflösung der effektiv ermittelten Lichtleiterlänge entsprechend der Frequenz, bei der die Phasendifferenz zwischen dem Modul at.ionssigna 1 U und dem Photodiodensignal U. zu Null geht.With computer-controlled detuning of the modulation frequency towards higher frequencies, a high resolution of the effectively determined optical fiber length is achieved corresponding to the frequency at which the phase difference between the module at.ion signal 1 U and the photodiode signal U. goes to zero.
&igr; \/ r &mgr; c &Ggr;&igr; u c 11 jviicfiia l· &igr; j\.ncii lc &igr; utiiiuii^cii aititatiu inciii et ei&igr; \/ r µc &Ggr;&igr; u c 11 jviicfiia l· &igr; j\.ncii lc &igr; utiiiuii^cii aititatiu inciii et ei
Ausführungsbeispiele eingehend beschrieben. Darin ze' gen:Examples of implementation are described in detail. They show:
Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer neuerungsgemäßen Anordnung,Fig. 1 the basic structure of an innovative arrangement,
Fig. 2 eine gegenüber der Darstellung von Fig. 1 geringfügig modifizierte Anordnung,Fig. 2 shows an arrangement slightly modified compared to the illustration in Fig. 1,
Fig. 3 eine Ausführungsform der Anordnung, bei der der Oszillator als spannungsgesteuerter Oszillator von einem Rechner gesteuert wird, undFig. 3 shows an embodiment of the arrangement in which the oscillator is controlled as a voltage-controlled oscillator by a computer, and
Fig. 4 eine aufgetragene Beziehung der Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal U und dem Photodiodensignal IK gegen die Modulationsfrequenz des Oszillators bei einer beispielhaften Lichtleiterlänge von 10 und 11 m.Fig. 4 shows a plotted relationship of the phase difference between the modulation signal U and the photodiode signal IK against the modulation frequency of the oscillator for an exemplary optical fiber length of 10 and 11 m.
Die Anordnung 10 besteht im wesentlichen aus einem Lichtleiter 11, der hier entgegen seiner ursprünglichen Gesamtlänge durch die Unterbrechung symbolisch als gebrochener Lichtleiter 11 dargestellt wird. Demzufolge stellt das Ende des einen Abschnitt des Lichtleiters 11 das Lichtleiterende 16 dar, das als Lichtreflexionsende wirkt. Die Anordnung 10 umfaßt darüber hinaus eineThe arrangement 10 essentially consists of a light guide 11, which is symbolically represented here as a broken light guide 11, contrary to its original total length due to the interruption. Consequently, the end of one section of the light guide 11 represents the light guide end 16, which acts as a light reflection end. The arrangement 10 also comprises a
Lichtquelle 12, die monochromatisches Licht, beispielsweise monochromatisches Laserlicht, auf einen optischen Isolator 13 und von dort auf eine als Strahltpiler 17 ausgebildete optische Einrichtung gibt, über die das monochromatische Licht 14 in den Lichtleiter gegeben wi rd .Light source 12 which emits monochromatic light, for example monochromatic laser light, onto an optical isolator 13 and from there onto an optical device designed as a beam splitter 17, via which the monochromatic light 14 is emitted into the light guide.
■ict &ogr; r7 onnt ein -iniicfrirmino«: Hnrfiilat innccinnal 11 mit , _. 3 . .... .- a__ . 3 _m -■ict &ogr; r7 onnt a -iniicfrirmino«: Hnrfiilat innccinnal 11 with , _. 3 . .... .- a __ . 3 _ m -
dem das in der Lichtquelle 12 erzeugte monochromatische Licht amplitudenmoduliert wird. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausgestaltung der Anordnung 10 wird das sinusförmige Modulationssignal U auf eine Phasenschieberei nri chtung 23 gegeben und von dort auf den Mischereingang 20 einer als Ringmischer ausgebildeten Mischeinrichtung 19. Das am das Bruchende symbolisierenden Lichtleiterende 16 reflektierte Licht gelangt wiederum auf den Strahlteiler 17, von dem es auf eine erste Photodiode 18 gegeben wird und dort als entsprechendes elektrisches Photodiodensignal U. auf den zweiten Mischereingang 21. Der Mischerausgang 22> an dem das Meß- bzw. Ausgangssignal zur Herleitung der tatsächlichen optischen Weglänge des Lichts 14 im Lichtleiter 11 austritt, wird über ein Tiefpaßfilter 25 geführt und von dort auf eine Divisionseinrichtung 24, in der das das Tiefpaßfilter 25 verlassende Signal durch das von der ersten Photodiode 18 kommende Phctodir'Honsignal U. dividiert wird. Am Ausgang der Divisionseinrichtung 26 liegt dann das endgültige aufbereitete Meßsignal U (Phi), wobei Phi die Phasendifferenz zwischen dem ersten Photodiodensignal U. und dem Modulationssignal U ist. Die vorangehend beschriebene Anordnung 10 entspricht der in Fig. 1 dargestellten.in which the monochromatic light generated in the light source 12 is amplitude modulated. In the embodiment of the arrangement 10 shown in Fig. 1, the sinusoidal modulation signal U is fed to a phase shifter 23 and from there to the mixer input 20 of a mixer device 19 designed as a ring mixer. The light reflected at the end of the light guide 16 symbolizing the break end in turn reaches the beam splitter 17, from which it is fed to a first photodiode 18 and there as a corresponding electrical photodiode signal U to the second mixer input 21. The mixer output 22> at which the measurement or output signal for deriving the actual optical path length of the light 14 in the light guide 11 emerges is led via a low-pass filter 25 and from there to a division device 24, in which the signal leaving the low-pass filter 25 is divided by the phase - shifting signal U coming from the first photodiode 18. The final processed measurement signal U (Phi) is then available at the output of the division device 26, where Phi is the phase difference between the first photodiode signal U and the modulation signal U. The arrangement 10 described above corresponds to that shown in Fig. 1.
Die Anordnung 10 gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der gemäß Fig. 1 dadurch, daß das Modulationssignal U nicht unmittelbar dem Oszillator 15 direkt entnommen wird. Vielmehr wird ein Anteil des amplitudenmodulierten Lichts 14 Ober den Strahlteiler 17 ausgekoppelt und über eine zweite Photodiode 19 als Referenz- bzw. Modulationssignal U' . der Mischereinrichtung 19 zugeführt.The arrangement 10 according to Fig. 2 differs from that according to Fig. 1 in that the modulation signal U is not taken directly from the oscillator 15. Rather, a portion of the amplitude-modulated light 14 is coupled out via the beam splitter 17 and fed to the mixer device 19 via a second photodiode 19 as a reference or modulation signal U'.
Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung 10 entspricht dem
Grundaufbau der in Fig. 2 dargestellten Anordnung 10, jedoch mit dem Unterschied bzw. der Erweiterung, daß der
Oszillator 15, anders als bei der Anordnung gemäß Fig. 1 und 2, ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO
Voltage Controlled Oszillator) ist. Das vom spannungsgesteuerten Oszillator 15 erzeugte Modulationssignal U
wird nicht nur zur Lichtquelle 12 sondern ebenfalls auf eine Rechnerei nrichtung 27 gegeben. Die Rechnereinrichtung
27 selbst liefert eine Spannung, mit der der spannungsgesteuerte Oszillator 15 beaufschlagt wird. In
Abhängigkeit der Variation der Spannung, gesteuert vor der Rechnereinrichtung 27, wird die Frequenz des Modulationssignal
Um variiert. Der Ausgang der Divisionseinrichtung 26, an dem das endgültige Meß- bzw. Ausgangssignal
U (Phi) der Anordnung 10 Hegt, wird ebenfalls auf die Rechnereinrichtung 27 geführt.The arrangement 10 shown in Fig. 3 corresponds to the basic structure of the arrangement 10 shown in Fig. 2, but with the difference or extension that the oscillator 15, unlike the arrangement according to Figs. 1 and 2, is a voltage-controlled oscillator (VCO
Voltage Controlled Oscillator). The modulation signal U generated by the voltage controlled oscillator 15
is not only fed to the light source 12 but also to a computer device 27. The computer device 27 itself supplies a voltage which is applied to the voltage-controlled oscillator 15. The frequency of the modulation signal U m is varied as a function of the variation in the voltage, controlled by the computer device 27. The output of the division device 26, at which the final measurement or output signal U (Phi) of the arrangement 10 is located, is also fed to the computer device 27.
Der typische Verfahrensablauf bei den vorangehend beschriebenen Anordnungen 10 wird nachfolgend beschrieben. In der Lichtquelle 12 wird monochromatisches Licht erzeugt, dessen Kohärenzlänge klein gegenüber der Länge des auszumessenden Lichtleiters 11 sein muß, um optische Interferenzen zu vermeiden. Die Lichtquelle 12 wird beispielsweise durch eine Breitband-Laserdiode gebildet. Das von der Lichtquelle 12 erzeugte Licht wird 1n bezug auf seine Intensität mittels des Modulat1onss1gnal U„The typical process sequence for the previously described arrangements 10 is described below. In the light source 12, monochromatic light is generated, the coherence length of which must be small compared to the length of the light guide 11 to be measured in order to avoid optical interference. The light source 12 is formed, for example, by a broadband laser diode. The light generated by the light source 12 is modulated in terms of its intensity by means of the modulation signal U".
11
des Oszillators 15 mit einer Modulationsfrequenz n_11
of the oscillator 15 with a modulation frequency n_
IMIN THE
moduliert.modulated.
Das in bezug auf seine Intensität somit amplitudenmodulierte Licht 14 wird über den optischen Isolator 13 und über den Strahiteiler 17 in den Lichtleiter II c-ingekoppelt. Das am Lichtleiterende 16 reflektierte Licht wird über den Strahl teller 17 auf die erstt Phctodio^g 18 gegeben, wobei das Photodiodensignal U^ im Ring- *iis ie** 19 mit dem sinusförmigen Modulaticnssi3. al U , nachdem es zuvor über einen Phasenschieber 23 geleitet wurde, gemischt. Das Ph~^odiodensignal Ud kann evtl. vor Eintritt in den Ringmischer 19 verstärkt werden. Für das Ausgangssignal des Ringmischers 19 ergibt sich dann folgender physikalischer Zusammenhang:The light 14, which is thus amplitude-modulated in terms of its intensity, is coupled into the light guide II via the optical isolator 13 and the beam splitter 17. The light reflected at the end of the light guide 16 is passed via the beam splitter 17 to the first photodiode 18, whereby the photodiode signal U^ in the ring mixer 19 is mixed with the sinusoidal modulation signal U , after it has previously been passed through a phase shifter 23. The photodiode signal U d can possibly be amplified before entering the ring mixer 19. The following physical relationship then results for the output signal of the ring mixer 19:
UM " UmUd* [sin *nm2t + n c + phi^ + sint"n £-&Rgr;&Mgr;)]»
c - Gruppengeschwindigkeit U M " U m U d* [sin * n m 2t + n c + phi ^ + sin t" n £-&Rgr;&Mgr; )]»
c - group velocity
Das Ausgangssignal des Ringmischers 19, das prinzipiell schon das eigentliche Meßsignal darstellt, w*rd durch die Nachschaltung des Tiefpaßfilters 25 und die Divisionseinrichtung 26 derart aufbereitet, daß der zeitabhängige Teil der voranstehenden Gleichung und die Abhängigkeit des verbleibenden Signals von der mittleren Intensität des Lichts unterdrückt wird, so daß für das eigentliche Meßsignal U (Ph1) ergibt:The output signal of the ring mixer 19, which in principle already represents the actual measurement signal, is processed by the downstream low-pass filter 25 and the division device 26 in such a way that the time-dependent part of the above equation and the dependence of the remaining signal on the average intensity of the light are suppressed, so that the actual measurement signal U (Ph1) is:
Phi stellt die Phasendifferenz des Modulationssignal Um und des Diodensignals U. dar. phi 1st die durch die Phasenschiebereinrichtung eingestellte Modul a. Jonsphase, &khgr; , die vom Licht 14 1m Lichtleiter 11 zurückgelegtePhi represents the phase difference between the modulation signal U m and the diode signal U. phi is the modulus of the Jons phase, &khgr; , set by the phase shifter device, which is the distance travelled by the light 14 in the light guide 11.
Wegstrecke, lambda entspricht der Modulationswellenlänge. Bei dieser Betrachtung wurde der Einfachheit wegen die in der Einkoppeloptik und Nachweisoptik zurückgelegte Wegstrecke nicht berücksichtigt.Distance, lambda corresponds to the modulation wavelength. For the sake of simplicity, the distance covered in the coupling optics and detection optics was not taken into account in this analysis.
Das so gewonnene Meßsignal ist in einem Phcservtcreich ± &pgr;/4 um die Kit der Phasenschiebereinrichtung 23 einstellbare O-Phase herum näherungsweise propotional zur Phasendifferenz Phi und damit proportional :ur optischen Wecdänge des Lichtleiters 11.The measurement signal obtained in this way is approximately proportional to the phase difference Phi in a phase range ± π/4 around the O-phase adjustable by the phase shifter device 23 and thus proportional to the optical length of the light guide 11.
Soll bfiispielsweiii. Hn ' ichtleit-p^ 11 ^it einer Länge von 20 m verc ssen werd*1". so ergibt sich eine optische weglänge von &khgr; = 40 m und damit p.,ie benötigte maximale Moaulationsfrequenz von { * 2x)f.. 3.7MHz (mit cFor example, if a line with a length of 20 m is to be used, the optical path length is x = 40 m and thus the required maximum modulation frequency is 3.7 MHz (with c
3.10 m/ s). Bei einer Phasenwinkelautlösung von 1* ergibt sich somit eine Wegstreckenauflösung von 20 cm. Soll bei gleicher Länge des Lichtleiters 11 und gleicher Phasenauflösung die räumliche Auflösung vergrößert werden, so muß ein zweiter Meßvorgang mit der halben Modulationswellenlänge und damit der doppelten Modulationsfrequenz durchgeführt werden. Um unkontrollierte Phasenverschiebungen zu vermeiden, wie sie in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz in der Lichtquelle 12 auftreten können, kann 1n diesem Fall das als Referenzsignal benötigte Modulationssignal Um durch die zweite Photodiode 24, wie sie in F1g. 2 ersichtlich ist, als Referenzsignal U'j gewonnen werden.3.10 m/s). With a phase angle resolution of 1*, this results in a distance resolution of 20 cm. If the spatial resolution is to be increased with the same length of the light guide 11 and the same phase resolution, a second measurement process must be carried out with half the modulation wavelength and thus twice the modulation frequency. In order to avoid uncontrolled phase shifts, as can occur in the light source 12 depending on the modulation frequency, in this case the modulation signal U m required as a reference signal can be obtained as a reference signal U'j by the second photodiode 24, as can be seen in Fig. 2.
Der vorangehend beschriebene Verfahrensablauf entspricht bis zu diesem Punkt auch dem gemäß der Anordnung 10 von Flg. 3. Das am Ausgang der Divisionseinrichtung 26 liegende Meß- bzw. PhasfendifferenzsignalThe procedure described above corresponds up to this point to that according to arrangement 10 of Fig. 3. The measurement or phase difference signal at the output of the division device 26
wird in die Rechnereinrichtung 27 gegeben. Die Ausgangssignale des Oszillators 15 wird ebenfalls in die Recheneinrichtung 27 geleitet. Die momentane Oszillatorfrequenz des Oszillators 15 wird durch einen hier nicht gesondert dargestellten Frequenzzähler hoher Genauigkeit (SsruuigkeIi 3 . 2P ' bestimmt und ebenfalls auf die Rechnereinrichtung Ii gegeben.is fed into the computer device 27. The output signals of the oscillator 15 are also fed into the computer device 27. The instantaneous oscillator frequency of the oscillator 15 is determined by a high-precision frequency counter (SsruuigkeIi 3 . 2P ') not shown separately here and is also fed to the computer device Ii .
Für einen LängenmeBvorgang wird die Modulationsfrtquenz n„ auf einen Minimalwert gesetzt und dann schrittweiseFor a length measurement process, the modulation frequency n" is set to a minimum value and then gradually
erhöht. Beim Verstimmen der Modulationsfrequenz zu höheren Frequenzen hin erhält man das in Fig. 4 dargestellte Signal. Dort ist die Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal U und dem ersten Photodiodensi -increased. When the modulation frequency is detuned to higher frequencies, the signal shown in Fig. 4 is obtained. There, the phase difference between the modulation signal U and the first photodiode signal -
HlHl
gnal U. gegen die Modulationsfrequenz &eegr; bei einer Länge des Lichtleiters 11 von 10 m und 11 m aufgetragen. Die Länge des Lichtleiters 11 entsprechend &khgr; ergibt sich aus der Frequenz f, bei der die Phasendifferenz verschwindet, d. h. Phi-O, zugnal U. is plotted against the modulation frequency &eegr; for a length of the optical fiber 11 of 10 m and 11 m. The length of the optical fiber 11 corresponding to &khgr; results from the frequency f at which the phase difference disappears, i.e. Phi-O, to
IL_c
2 fIL_c
2 f
&eegr; entspricht der Ordnung der Phasendurchgänge, die ebenfalls aus Fig. 4 ersichtlich ist. Die Aufnahme der Meßwerte sowie die Berechnung der optischen Weglänge des Lichts 14 im Lichtleiter 11 erfolgt in der Recheneinrichtung 27 und kann nach jedem Meßzyklus auf geeignete Weise zur Anzeige gebracht werden.η corresponds to the order of the phase transitions, which can also be seen in Fig. 4. The recording of the measurement values and the calculation of the optical path length of the light 14 in the light guide 11 takes place in the computing device 27 and can be displayed in a suitable manner after each measurement cycle.
14 Bezuqszeicheniiste 14 Reference list
10 Anordnung10 Arrangement
11 Lichtleiter11 Light guide
12 Lichtquelle12 Light source
13 optischer Isolator13 optical isolator
14 Licht14 Light
15 Oszillator15 Oscillator
16 Lichtleiterende16 Fiber optic end
17 Strahlteiler17 Beam splitters
18 erste Photodiode18 first photodiode
19 Mi scheinrichtung19 Mixing device
20 Mischereingang20 Mixer input
21 - " -21 - " -
22 Mischerausgang22 Mixer output
23 Phasenschiebereinrichtung23 Phase shifter device
24 zweite Photodiode24 second photodiode
25 Tiefpaßfilter25 low-pass filters
26 Divisionseinrichtung26 Divisional Establishment
27 Rechnereinrichtung27 Computer setup
Claims (7)
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